含水率對椰纖維植被混凝土崩解性能的研究

王浩屹　梁安銘　蔣必鳳　陳圣寧

摘 要

通過對不同含水率的椰纖維植被混凝土試塊進行崩解試驗，分析了椰纖維植被混凝土遇靜水時的崩解機理。試驗結果表明，含水率對椰纖維植被混凝土崩解性影響先增大后減小，含水率為20%時處于抗崩解性能最強。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析得到椰纖維植被混凝土含水率最佳配比，為椰纖維植被混凝土的應用提供理論基礎。

關鍵詞

椰纖維;植被混凝土;抗崩性;含水率

中圖分類號： TP391 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.058

0 前言

崩解試驗又叫濕化試驗，是指混凝土試塊在靜水中發(fā)生分解、碎裂、塌落或者強度減小的現(xiàn)象。它是研究土壤侵蝕的方法之一，而崩解量是評價土壤侵蝕情況嚴重程度的一項重要的指標。植被混凝土技術是一種生態(tài)護坡技術，目前應用較為廣泛，它采用特定的混凝土和草種配比，從而對石類邊坡進行防護和美化的新技術。

椰纖維屬于椰工業(yè)的副產(chǎn)品，也是目前自然纖維中柔韌性和強度最理想的材料。多用于水土保持工程，有學者將植被混凝土與椰纖維結合起來，用于邊坡防護和綠化。最常見的一種是椰纖維網(wǎng)復合噴射植被混凝土的邊坡綠化方法，具體是先進行鋼花管注漿后掛上鐵絲網(wǎng)，在噴播基材后掛上椰纖維網(wǎng)，最后進行草種噴播。纖維網(wǎng)起到了前期保持水土流失和固定基材的作用，后期給植物提供營養(yǎng)的作用。[1]

有學者對椰纖維植被混凝土保水性和植生性進行研究[2]，但對其抗崩解性鮮有研究，這里試著就含水率對椰纖維植被混凝土的崩解性影響做一些基礎性研究工作，進而探究椰纖維植被混凝土的抗侵蝕機理，并為椰纖維植被混凝土的應用提供理論基礎。

1 試驗設計

1.1 樣品制作

本次試驗是對含水率對椰纖維植被混凝土崩解的影響。含水率作為變量，因為含水率太低混凝土試塊無法完全拌和，太高混凝土試塊太稀不利于實驗，所以含水率按15%、17%、20%、23%、25%選取。試驗混凝土試塊制作配合比為：土180g、水泥7.2g、椰纖維0.54g。

試驗用土取自海南本地常見紅黏土，經(jīng)過篩分得到土壤顆粒小于2mm的試驗用土，然后進行烘干。選用水泥為海南華盛水泥普通硅酸鹽水泥P.O42.5R。為了試驗精確性纖維統(tǒng)一采用長度為3cm的椰纖維絲。

將準備好的土、水泥、椰纖維和水進行拌和得到混凝土試塊，并進行養(yǎng)護。為了保證土樣重量一致采用100cm3圓形環(huán)刀進行取樣。

1.2 試驗裝置

1.2.1 常規(guī)土壤崩解裝置

常規(guī)的土壤崩解試驗裝置一般是參照蔣定生設計的土壤崩解儀，該儀器由玻璃缸、浮筒、網(wǎng)板等三個部分組成[3]。玻璃缸直徑不小于30cm，缸高40cm;用1cm*1cm的網(wǎng)板掛于浮筒的下端;浮筒刻度單位為1，最大100，最小為0;將浮筒放入缸中矯正度數(shù)，并將5cm*5cm*5cm的立方體試塊放在網(wǎng)板上。最大崩解時間設計為30min，計算崩解速率的公式如下：

式中，V為單位時間內(nèi)試塊崩解的體積（cm3/min）;L0為試塊侵入水中時浮筒穩(wěn)定的最大度數(shù)或者起始度數(shù);Lt為試塊完全崩解或者未完全崩解第30min時浮筒度數(shù);t為試塊完全崩解時間或者試塊未完成崩解的最長觀測時間30min;a為體積換算系數(shù)。

1.2.2 本次試驗裝置

參照蔣定生的實驗原理，本次試驗也是靜態(tài)水測定混凝土崩解性能。試驗儀器由靜水天平、塑料桶、網(wǎng)板等三部分組成。塑料桶尺寸為直徑23.5*cm高25cm，網(wǎng)板為自制的空隙尺寸是1cm*1cm。

1.3 試驗方法

將篩分好的試驗用土、3cm短纖維、水泥以及一定比例的水混合攪拌均勻;將攪拌好的纖維混凝土放入環(huán)刀與盒中進行稱重記錄并靜置十分鐘;在每次試驗的采用等量的水;將網(wǎng)板掛在靜水天平下浸入水中;在環(huán)刀中取出試塊并在試塊放入前對靜水天平進行去皮;放入試塊后開始計時并記錄未崩解瞬間天平度數(shù)。

操作按《土工試驗操作規(guī)程》中濕化試驗相關規(guī)定進行。試驗最長觀測時間為30min。讀數(shù)時間分別為0、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30min。試塊崩解量計算公式為：

式中Bt為試塊的體積占總體積的百分比（%）;Dt試塊崩解的時靜水天平的實時度數(shù)（g）;D0試塊放入水中靜水天平的初始度數(shù)。

2 實驗現(xiàn)象

試塊放入清水中，小分子顆粒開始向周圍分解逸散，周圍的水開始變混濁，接著有大量氣泡溢出，然后試塊表面開始崩解。開始崩解的速度相對較快，隨后一段時間開始逐漸減慢直至穩(wěn)定。隨著試塊結構被逐漸破壞，試塊的崩解速度在穩(wěn)定后又開始緩慢減速，直至達到實驗設置時間30min。也有部分試塊崩解時間短，崩解速度過快，試塊結構在短時間內(nèi)被水侵蝕破壞嚴重，在實驗設置30min內(nèi)已經(jīng)完全崩解，在整個實驗過程中不斷有氣泡冒出。

3 結果分析

通過30min的實驗觀測，不同含水率的崩解實驗結果如表1所示。實驗結果顯示，含水率在0%時因為沒有水無法進行混凝土拌和;含水率在15%時試塊水分不夠充足黏合度不夠，試驗在4min時崩解緩慢接著崩解，崩解量最大;含水率17%時，試驗在6min前崩解速率過快然后吸水飽和崩解平緩，只是相對15%時崩解量較小，抗崩解能力提高;含水率20%時試塊水分充足黏合度強抗崩解性能最強;含水率23%時試塊水分過于充足試塊過于濕潤抗崩解性能相對20%時較弱;含水率在25%時試塊水分過于充足試塊相對于23%時更濕潤抗崩解性能有稍微弱些。

綜上所述，含水率在20%時是最佳含水率配比，低于20%，試塊過于干燥在水中高度吸水導致抗崩解性能不強崩解量過大，高于23%試塊過于濕潤結構不穩(wěn)固導致抗崩解性能不強。隨著含水率的變化，試塊的抗崩解能力先增大后減小，在含水率20%之前，含水率越高抗崩解性能越強，達到含水率20%時處于拋物線最頂端抗崩解性能最強，在含水率20%之后含水率越高抗崩解性能越弱。

通過對崩解數(shù)據(jù)的分析，繪制了累計崩解量與崩解時間的關系圖，如圖1所示，試塊在剛進入水的前6min都在快速崩解低于含水率20%試塊快速崩解并且因為水分較小黏合度不夠結構不穩(wěn)固充分吸水后崩解量較大，含水率20%及以上試塊由于水分充足崩解量較之后面階段較小。在6～10min含水率20%及以上試塊都崩解平緩。15～30含水率20%試塊開始加速崩解但速度不快，含水率23%、25%試塊崩解速度開始變快。

椰纖維植被混凝土崩解主要發(fā)生在前6min左右，通過對抗崩性試驗的理解，可以分析得出如下結論：

（1）前期崩解后，空氣排出，土壤飽和，試塊強度結構趨于穩(wěn)定。

（2）試塊表面存在凝結不穩(wěn)固的浮土在初入水時，浮土迅速脫落，導致崩解量大。

（3）試塊濕潤是隨著含水率的增加，由于水的濕潤作用使混凝土內(nèi)顆粒間黏結力降低和混凝土內(nèi)凝結物質軟化，導致試塊強度降低。

4 結語

通過本次是實驗得到如下結論：

（1）椰纖維植被混凝土含水率對抗崩性先增大，含水率在20%時處于定點，抗崩解性最強。

（2）關于含水率對椰纖維植被混凝土抗崩解性能的研究，通過試驗數(shù)據(jù)的對比分析，可以得到制作椰纖維植被混凝土配比中最佳含水率，并椰纖維植被混凝土的應用提供理論基礎。

（3）通過探究椰纖維植被混凝土的抗侵蝕機理，對在椰纖維植被混凝土運用于護坡上有了一定的理論基礎，運用合適的配合比植被混凝土噴播與護坡上，理論上是確實可行的，不僅強度適合抗侵蝕能力較強。

（4）含水率對椰纖維植被混凝土的作用在對降水的截留減少流水侵蝕，從而防止水土流失;它具有保持生態(tài)系統(tǒng)平衡的作用，通過植被改善環(huán)境，逐漸恢復被破壞的生態(tài)系統(tǒng)。

參考文獻

[1]張良榮.椰纖維植被護坡技術在石質邊坡防護中的應用[J].公路，2016，61（07）：280-283.

[2]劉光銳，龔明子，劉君秀，陳茜，蘇藝凡.椰纖維植被混凝土性能研究[J].商品混凝土，2013（11）：30-32.

[3]蔣定生.黃土高原水土流失與治理模式[M].北京：中國水利水電出版社，1997：60.

[4]張博，許文年，周正軍.植被混凝土基材崩解特性試驗研究[J].中國水土保持，2012（05）：56-58.

[5]鄒翔，張平倉，陳杰.小江流域土壤抗崩性實驗研究[J].水土保持研究，2008（01）：244-246.

[6]姚賢良，程云生等，土壤物理學[M].北京，農(nóng)業(yè)出版社，1986.